CN110126401B - 耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材：包括单层板；所述单层板上铺设有纤维组，纤维组沿着单层板长度方向设置；所述纤维组包括纤维一、纤维二和纤维三，所述纤维一沿着单层板长度方向设置；在纤维一长度两侧分别设置有：一侧为纤维二以短切纤维切口为间距沿着单层板长度方向设置；另一侧为纤维二以短切纤维切口为间距沿着单层板长度方向设置。本发明还提供一种耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材制备方法，本发明中的耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材，具有强度高，耐疲劳性能好，且单层板制备工艺简单，易操作。

Description

耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纤维增强树脂基复合材料型材，特别是一种耐疲劳高强度的纤维增强树脂基复合材料型材，属于纤维增强树脂基复合材料技术领域。
背景技术
世界范围内高强轻质新材料的需求显著增加，新材料研究的新方向、新技术不断涌现。先进复合材料质量轻、强度高，耐热、耐酸碱腐蚀、耐辐射、耐磨损，并且电绝缘性、生物相容性、可设计性及可加工性好，
纤维/树脂基复合材料，是工程应用中最重要的高性能复合材料。如碳纤维增强树脂基复合材料，具有高的比强度、比模量，质轻、尺寸稳定等优异性能，广泛应用在航天航空、军事等领域。复合材料中，纤维是主要承受力的部分，基体起到骨架作用。
纤维增强树脂基复合材料，大大提高了基体的强度。但当结构件受到交变载荷，在纤维增强方向由于强度的提升，特别容易引起疲劳失效，即提高材料的强度往往会降低其疲劳寿命；反之，若要提高材料的疲劳寿命，则会大大削弱其强度等机械性能。这已成为目前阻碍复合材料发展的严重“瓶颈”问题之一。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效的耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材：包括单层板；
所述单层板上铺设有纤维组，纤维组沿着单层板长度方向设置；所述纤维组包括纤维一、纤维二和纤维三，
所述纤维一沿着单层板长度方向设置；
在纤维一长度两侧分别设置有：一侧为纤维二以短切纤维切口为间距沿着单层板长度方向设置；另一侧为纤维三以短切纤维切口为间距沿着单层板长度方向设置。
作为对本发明 耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材的改进：
在同一个纤维组中：纤维二和纤维三以纤维一为中心线对称设置。
作为对本发明 耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材的进一步改进：
沿着单层板长度方向，相邻两个纤维组中的短切纤维切口在单层板上长度位置交替设置。
作为对本发明 耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材的进一步改进：
所述纤维二和纤维三的长径比均为10～30。
作为对本发明 耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材的进一步改进：
纤维一的直径为d0；纤维二和纤维三与纤维一的间距均为S2＝md0，1≤m≤4；两相邻纤维组中的纤维一之间的间距S1＝nd0，3≤n≤15。
本发明还提供一种耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材制备方法，包括以下步骤：
铺设热塑性树脂挤压膜；
在热塑性树脂膜上表面铺设纤维组；
在纤维组上表面铺设热塑性树脂膜，进行热压成型得到单层板；
单层板重叠铺设进行热压成型得到层合板。
本发明还提供一种耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材制备方法，包括以下步骤：
在热固性树脂上表面铺设纤维组；
固化铺设纤维组的热固性树脂得到单层板；
在单层板上表面层叠铺设多层纤维组，固化得到多层纤维组增强的热固性树脂板。
作为对本发明耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材制备方法的改进：
纤维组的铺设方式为：
纤维一：沿着单层板长度方向等距平行排布若干条长纤维，长纤维作为纤维一；
纤维二、纤维三：沿着热塑性树脂挤压膜长度方向，在每条纤维一的两侧均排布一条长纤维，将两条长纤维均等距切断成若干个短切纤维，纤维一两侧的短切纤维分别作为纤维二和纤维三。
本发明耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材及其制备方法的技术优势为：
本发明中的耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材，具有强度高，耐疲劳性能好，且单层板制备工艺简单，易操作。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材单层板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材，如图1所示，耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材由单层板层合而成，包括单层板。
单层板上铺等距设有若干沿着单层板长度方向设置的纤维组，每个纤维组均包括纤维一 1、纤维二2和纤维三3，
纤维一1为碳纤维卷料，纤维一1为连续纤维或连续纤维束，长度尺寸不做具体要求，设连续纤维或连续纤维束直径为d0；纤维二2和纤维三3中的纤维均为连续纤维或连续纤维束裁切形成的短切纤维(短切碳纤维)，短切纤维长径比10～30。纤维二2和纤维三3中的短切纤维可以为纤维一1切断形成。
纤维一1沿着单层板长度方向连续铺设，在纤维一1长度两侧分别铺设有纤维二2和纤维三3。纤维二2和纤维三3均为：若干短切纤维沿着单层板长度方向铺设，相连短切纤维之间间隔一个短切纤维切口4(图中的S3，即为其中的首尾相连的短切纤维连接处)，定向排列成长纤维。
在同一纤维组中，纤维二2和纤维三3以纤维一1为中心线对称设置。同一纤维组中的纤维二2和纤维三3的短切纤维切口4，在单层板长度方向上的位置均相同。
沿着单层板长度方向，相邻两个纤维组中的短切纤维切口4交替设置。即如图1所示，一组纤维组中的短切纤维切口4与相邻一组短切纤维切口4的中点位于单层板同一长度位置。
图1中，A、B分别为纤维二2或纤维三3的短切纤维的首尾两端，L为短切纤维的长度， S1为相邻纤维组中的纤维一1的间距，S2为纤维二2或纤维三3与纤维一1的间距，S3为短切纤维切口4的间距，
本发明耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材的制备方法，包括以下步骤：
若基体为热塑性树脂：
(1)首先铺设一层热塑性树脂挤压膜。热塑性树脂挤压膜为目前广泛应用的熔融树脂挤出机模头挤出制备的树脂膜。
(2)在热塑性树脂挤压膜上表面铺设纤维组。
纤维组的铺设方式为：
纤维一1：沿着热塑性树脂挤压膜长度方向等距平行排布若干条长纤维，设定两相邻纤维组中的纤维一1之间的间距S1＝nd0，3≤n≤15。长纤维为碳纤维卷料连续纤维或连续纤维束，长纤维作为纤维一1。
纤维二2、纤维三3：沿着热塑性树脂挤压膜长度方向，在每条纤维一1的两侧均排布一条长纤维，将两条长纤维均等距切断成若干个短切纤维，纤维一1两侧的短切纤维分别作为纤维二2和纤维三3。
纤维二2和纤维三3与纤维一1的间距均为S2＝md0，1≤m≤4。
纤维二2和纤维三3在切断后同一直线上相邻两个短切纤维的间距(短切纤维切口4) 均为为S3。短切纤维的长度可按单层板的力学性能要求进行裁剪设计、相邻短切纤维之间的间距，可通过控制裁切速率进行相应调整。短切纤维长径比为10～30。
(3)重复步骤(1)，在纤维组上表面覆盖热塑性树脂膜，热挤压成型得到单层板。
(4)从上到下依次堆叠若干个步骤(3)所得的单层板，调整各个单层板之间的夹角(层合板中各个单层板间，可按纤维长度方向调整单层板间夹角，可以选择任意角度)，进行层合板热压成型，得到层合板。
若基体为热固性树脂：
(1)在热固性树脂上表面铺设一层纤维组，与基体为热塑性树脂时的步骤(2)相同。
(2)按现有热固性树脂复合材料的成型工艺(如真空浇注成型等)，获得单层板。
(3)对多层纤维组增强热固性树脂复合材料，在单层板上表面按性能要求铺设多层纤维组，并调整纤维组之间的夹角，按现有热固性树脂复合材料的成型工艺，获得设计纤维组增强的热固性树脂复合材料。
纤维一1、纤维二2和纤维三3可以是常用玻璃纤维、氧化铝纤维、聚酰胺纤维、硼纤维、金属纤维、天然纤维、矿物纤维及碳纤维等，纤维一1、纤维二2和纤维三3可以同种纤维，也可以是两种或两种以上的组合。
实施例1采用聚甲基丙烯酰亚胺类树脂为基体，玻璃纤维束直径d0为0.5～1mm，S3为 1.5～15mm，沿基体长度方向铺设纤维组，挤压成型得到单层板，其纵向拉伸强度为 450～650MPa，纵向弹性模量为10～200GPa。
对比例1：将实施例1中的纤维二2和纤维三3全部替换成纤维一1，其余等同于实施例 1；
挤压成型得到的单层板，其纵向拉伸强度为650～800MPa，纵向弹性模量为20～35GPa。
对比例2：将实施例1中的纤维一1替换成如纤维二2和纤维三3的形式，其余等同于实施例1；
挤压成型得到的单层板，其纵向拉伸强度为10～20MPa，纵向弹性模量为5～10GPa。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材，其特征在于：包括单层板；
所述单层板中铺设有纤维组，纤维组沿着单层板长度方向设置，所述纤维组包括纤维一(1)、纤维二(2)和纤维三(3)；
所述纤维一(1)为沿着单层板长度方向等距平行排布的长纤维；在每条纤维一(1)的两侧沿着单层板长度方向均排布一条长纤维，将两条长纤维均等距切断成短切纤维，纤维一(1)两侧的短切纤维分别作为纤维二(2)和纤维三(3)，纤维二(2)和纤维三(3)分别以短切纤维切口(4)为间距沿着单层板长度方向设置；
在同一个纤维组中：纤维二(2)和纤维三(3)以纤维一(1)为中心线对称设置；
沿着单层板长度方向，相邻两个纤维组中的短切纤维切口(4)交错设置。
2.根据权利要求1所述的耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材，其特征在于：
所述纤维二(2)和纤维三(3)的长径比均为10～30。
3.根据权利要求2所述的耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材，其特征在于：
纤维一(1)的直径为d0；纤维二(2)和纤维三(3)与纤维一(1)的间距均为S2＝md0，1≤m≤4；两相邻纤维组中的纤维一(1)之间的间距S1＝nd0，3≤n≤15。
4.耐疲劳高强度纤维增强树脂基复合材料型材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)铺设热塑性树脂挤压膜；
(2)在热塑性树脂挤压膜上表面铺设权利要求1所述的纤维组；
(3)在纤维组上表面铺设热塑性树脂挤压膜，进行热压成型得到单层板；
(4)单层板重叠铺设进行热压成型得到层合板。
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